第2章高层建筑结构体系与结构布置

第2章高层建筑结构体系与结构布置2.1概述2.2结构布置原则2.3楼盖结构布置2.4基础结构布置2.5水平位移限值和舒适度要求2.6结构布置实例2.1概述一、高层建筑的结构形式•结构方案选择：•在满足建筑使用要求的前提下，选择结构形式、结构体系和结构布置•1、砖石结构优点：取材容易、施工简便、造价低廉；缺点:自重大，强度低，抗震性能差，施工难以机械化，工人劳动强度高，工期长和结构面积大，难以用于高层房屋，国内目前砖石结构房屋只建到19层左右新型砌体结构—配筋砌体，10层以上采用，北京拟建30层公元524年的河南嵩岳寺塔(15层筒结构，高50m)公元704年的西安大雁塔(7层砖木结构，总高64m)公元1055年的河北定县料敌塔(11层筒体结构，高82m)2、钢筋混凝土结构优点：结构强度较高，抗震性能较好，并具有良好的可塑性，造价低、耐火性能好、侧向刚度大、截面形式多样缺点：构件截面较大、自重大、使用空间受限，施工工序复杂、建造周期较长且受季节的影响。应用情况：我国绝大多数高层建筑都是采用混凝土结构，今后仍将是高层建筑发展的主流。最早混凝土框架结构高层建筑是1903年在美国辛辛那提建造的因格尔斯大楼，16层，高64m。目前世界上最高的混凝土建筑为香港中环广场达78层374m、其次是平壤柳京饭店达105层305m。•广州广东国际大厦(63层，200.18m),底层柱尺寸已达1.8*2.2m•3、钢结构优点：•钢结构强度高、自重轻，具有良好的延性和抗震性能，能够满足建筑上对大跨度、大空间的要求•抗震性能优于钢筋混凝土结构•减轻结构自重，降低基础工程造价•减少建筑中结构所占的面积•施工周期短：工厂制作，现场安装，无须大量脚手架，压型钢板可以作为混凝土楼板的永久模板，可节约20%-30的施工时间缺点：造价高、耐火性能差，大量防火涂料的使用也影响工期与造价。钢结构高强度螺栓连接法•4、组合结构钢框架或型钢混凝土框架与钢筋混凝土筒体所组成的混合结构体系。框架柱多采用钢管混凝土柱或型钢混凝土柱，框架梁多采用型钢混凝土梁或钢梁。侧向刚度大于钢结构结构造价介于钢结构和钢筋混凝土结构之间施工速度比钢筋混凝土结构快结构面积小于钢筋混凝土结构发挥钢管混凝土柱的强度和刚度作用钢骨混凝土柱美国西雅图双联广场大厦58层四根大钢管混凝土柱混凝土抗压强度133Mpa直径3.05m管壁厚30mm承受60%竖向荷载RC核心筒+外框型钢混凝土柱及钢柱，88层，高420m，7度抗震设防上海金茂大厦办公层平面客房平面第88层平面剖面上海环球金融中心RC核心筒+外伸桁架和巨型（型钢）柱(三重结构体系)，101层，高492m，7度抗震设防核芯筒底部剪力墙台北101金融大楼高508米，采用方钢管混凝土柱，混凝土核心筒混合结构。大楼历时5年多，耗资600亿币。总面积7万多平方米，共容纳了160多家商店。(包括地下5层、其中B2到B5为地下停车场、地上101层，其中有78层是办公大楼，裙楼部分则是购物中心。1998年在马来西亚吉隆坡建成的彼得罗纳斯大厦（PetronasTower），88层，高452m，为当时世界最高的建筑。在第40与41层之间有一座连接双子塔的空中走廊，是目前世界上最高的过街天桥。双塔平面是两个扭转并重叠的正方形，用较小的圆形填补空缺。双塔的外檐为46.36m直径的混凝土外筒，中心部位是74.8英尺×75.4英尺高强钢筋混凝土内筒，18英寸高轧制钢梁支托的金属板与混凝土复合楼板将内外筒连系在一起。4架钢筋混凝土空腹格梁在第38层内筒四角处与外筒结合。塔楼由一个筏式基础和长达340英尺但达不到基岩层之4英尺×9英尺截面长方形摩擦桩。位于圆形与正方形重送交接点位置处的16根混凝土柱子支承上部结构荷载。结构形式选择的基本要求•经济性（必要时考虑综合经济效果）•技术条件（包括设计技术、施工技术等）•材料供应情况•受力特点二、高层建筑的结构体系现代高层建筑结构体系分类框架体系（含板柱体系）框架－剪力墙体系（含板柱－剪力墙体系）剪力墙体系全落地剪力墙体系部分框支剪力墙体系筒体体系框筒体系筒中筒体系多筒体系巨型体系1、框架结构——framestructure由梁和柱为主要构件组成的承受竖向和水平作用的结构优点：建筑平面布置灵活，能提供较大的室内空间，易于满足多功能的使用要求。自振周期长，地震反应小，经合理设计后可具有良好的延性。计算理论比较成熟；在一定高度范围内造价较低。缺点：抗侧移刚度小，抗震性能差，侧向位移较大，易使填充墙开裂，并引起非结构构件的破坏，修复费用高。适用范围：非抗震地区和层数较少的多、高层住宅、饭店、办公楼及其它公共建筑，15以下较适宜。分类：（按照施工方法）现浇框架装配整体式框架装配式框架框架结构体系典型的框架体系平面图平面形状复杂的框架平面图框架结构体系板柱结构体系优点：施工方便，使用空间大，布置灵活；传力途径更简捷，可有效增加净空高度缺陷：节点处受到柱集中力作用，对板抗剪不利。节点抗震性能差，整体刚度小。板柱节点适用范围：仓库，停车场，层高受到限制的场合。无梁楼盖结构体系注：由Ｌ形、Ｔ形、Ｚ形或十字形截面柱构成的异形柱框架结构。结构柱网布置结构立面布置框架结构受力及设计要点1.全部荷载由梁柱承担；2.框架侧向变形由梁柱弯曲变形与柱轴向变形两部分组成；3.整体侧向变形呈剪切型变形；4.应设计为双向框架结构；5.隔墙应采用轻质隔墙或轻质填充材料；6.宜采用现浇混凝土楼盖。2、剪力墙结构——shearwallstructure由剪力墙组成的承受竖向和水平作用的结构剪力墙结构平面图2、剪力墙结构——shearwallstructure由剪力墙组成的承受竖向和水平作用的结构优点：结构刚度很大，空间整体性好，水平荷载作用下侧向变形小，用钢量较省，抗震性能好,房间墙面及天花板平整，层高较小，特别适用于住宅、宾馆等建筑。缺点：自重大，基础处理要求较高，墙体间距小，平面布置不灵活，不利于布置大开间房间，不能满足公共建筑的使用要求（一般剪力墙间距3～8m）。适用范围：适于10～30层高小开间建筑•解决方法：底部大空间剪力墙结构（框支剪力墙,带转换层高层建筑结构）————底部若干层部分剪力墙取消•刚度差异（限制落地剪力墙的比例和剪力墙之间的间距）•转换层（板式转换和梁式转换）为满足公共建筑的使用要求,需布置大开间房间？？？底部大空间剪力墙(部分框支剪力墙)结构框支剪力墙的特点•底层刚度削弱、刚度突变避免刚度突变的措施•把框架层扩展为2-3层，随层逐渐变化•在框架的最上层设置设备层，作为刚度的过渡层•尽可能得将一部份剪力墙延伸到底层以加强整个房屋的刚度3、框架—剪力墙结构——frame-shearwallstructure由框架和剪力墙共同承受竖向和水平作用的结构框架－剪力墙剪力墙剪力墙框架梁框架梁框架梁剪力墙剪力墙•特点：剪力墙（核心筒）承担大部分水平力，是主要的抗侧力构件，框架承担竖向荷载，提供较大的空间，受力合理，各层层间变形均匀，既具有框架结构布置灵活、方便使用的特点，又有较大的刚度和较强的抗震能力•抗侧刚度：抗侧刚度较大•适用范围：适用于10-25层各类公共建筑和旅馆建筑，框架-筒体可到30--40层（1）剪力墙数量•以满足位移限制为依据设置剪力墙数量（2）剪力墙的布置及间距•宜分散不宜集中•满足建筑使用要求和结构刚度的要求•纵横向剪力墙布置均应满足要求•布置应均匀、分散、对称、周边，使刚度中心和质量中心尽量接近，避免扭转效应•剪力墙的间距不宜过大，保证楼盖刚度足够•剪力墙应贯通全高，结构上下刚度连贯均匀剪力墙的布置原则1)剪力墙宜沿主轴方向或其它方向双向布置，墙肢截面简单规则；2)剪力墙应尽量布置在结构区段的楼梯间、电梯间、平面形状变化及恒载较大的部位，剪力墙间距不宜过大；3)纵、横剪力墙宜组成L、T、［形等型式；4)剪力墙应贯通建筑物全高，避免刚度突变，洞口应尽量做到上下对齐；5)抗震设计时，剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于结构总底部地震倾覆力矩的50％；6)较长的墙肢宜开设洞口将其分成长度均匀的若干墙段，墙段之间用弱连梁连接，每个独立墙段的总高度与其截面高度之比不应小于2，墙肢截面高度不宜大于8m。在侧向荷载作用下的框架-剪力墙变形4、筒体结构（空间受力体系）——tubestructure由竖向筒体为主组成的承受竖向和水平作用的高层建筑结构筒体分剪力墙围成的薄壁筒和由密柱框架或壁式框架围成的框筒等4、筒体结构（空间受力体系）——tubestructure由竖向筒体为主组成的承受竖向和水平作用的高层建筑结构筒体分剪力墙围成的薄壁筒和由密柱框架或壁式框架围成的框筒等筒体结构平面图•特点：空间抗侧刚度，抗扭性很好•适用范围：适用于30层以上各类公共建筑框筒体系桁架筒筒中筒体系多筒体系布置在房屋四周、由密排柱和高跨比很大的窗裙梁形成的密柱深梁框架围成的筒体。内筒承受竖向荷载，外筒承受水平荷载，柱距一般在1.2—3m，框筒梁比较高，梁高600mm以上，开洞面积在60%以下1931年102层帝国大厦：钢框架－剪力墙体系，用钢量2.06kN/m21972年110层世界贸易中心：筒中筒结构体系，用钢量1.81kN/m21974年110层西尔斯大楼：钢成束筒结构体系，用钢量1.61kN/m2（1）框筒结构桁架形成的筒体，钢材，节省材料实例：香港中国银行，钢斜撑、钢梁、钢骨组合混凝土柱的空间桁架体系，用钢量1.4kN/m2（2）桁架筒结构由核心筒和密柱外围框筒（桁架筒）组成的高层建筑结构，抗风、抗震能力好深圳国际贸易中心大厦50层，158m，钢筋混凝土筒体，外筒由钢骨混凝土和钢柱组成（3）筒中筒结构(tubeintubestructure)框筒及筒中筒体系结构平面框筒体系筒中筒体系广东国际大厦，63层，200m，钢筋混凝土内筒体，外筒由钢骨混凝土和钢柱组成广东国际大厦建筑面积101632平方米，楼高200.18米。采用天然片筏和条形基础，主楼结构采用无粘结预应力砼楼板筒中筒体系，外筒为35.1米×37米的矩形平面，由24根中柱和4根异形角柱组成,内筒为17米×24米的矩形平面，由梯井和电梯间等剪力墙组成。是当时国内层数最多最高的钢筋混凝土结构，也是世界上采用无粘结预应力平板楼最高的大楼。按常规做法，楼板需要30厘米厚，而本工程将楼板厚度降至22厘米。结仅此项技术以及由此取得的良性影响，就节省混凝土7000多立方米，重量达2万吨。工程施工中综合应用了十项新技术，在超高层建筑施工成套技术和管理方面作了有益的探索，取得了六天一层楼而不必三班倒的施工速度，工程于1989年12月28日比原计划提前63天封顶。上海金贸大厦框架－筒体结构，共88层，高420.5米，用于办公、宾馆。内筒为八角形钢筋混凝土核心筒，外筒由八根复合巨型柱、8根钢柱，用钢量0.7kN/m2•8个巨型组合柱（1.5m×4.9m，C50）→（0.9m×3.5m，C35）•直径2.75m钢管桩，上覆盖4m厚，64m×64mC50整体桩承台，•桩打入地下84m深处（4）成束筒结构由若干筒体并联而成，强度、刚度均很大多筒体结构：多个钢筋混凝土剪力墙筒体，适应于复杂平面的布置要求芝加哥西尔斯大厦地上110层，地下3层，高442米，SOM建筑设计事务所设计，结构工程师是1929年出生于达卡的美籍建筑师F.卡恩。他为解决像西尔斯大厦这样的高层建筑的关键性抗风结构问题，提出了束筒结构体系的概念并付诸实践。整幢大厦被当作一个悬挑的束筒空间结构，离地面越远剪力越小，大厦顶部由风压引起的振动也明显减轻。芝加哥西尔斯大厦为了减少剪切力，只在每一处向里收缩的下两层处（设备层）设置斜角撑。114个基础沉箱直抵基岩层，支承大楼222500t重量。西尔斯大厦用钢材76000吨,每平方米用钢量比采用框架剪力墙结构体系的帝国州大厦降低20％，仅相当于采用5跨框架结构的50％。顶部设计风压为305千克力／米2，设计允许位移（振动时允许产生的振幅）